Att producera strukturellt perfekt grafen och andra 2D-material är hemligheten till att utnyttja deras potentiella nya elektroniska och spintroniska egenskaper. Men hur vet vi när grafen, det mest studerade 2D-materialet, är perfekt – ett defektfritt och enhetligt lager av atomer?

Forskare vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory har upptäckt en indikator som på ett tillförlitligt sätt visar provets höga kvalitet, och det var en som gömde sig i tydliga ögon i årtionden.

Forskarna undersökte prover av grafen med hjälp av elektrondiffraktion med låg energi, en teknik som vanligtvis används inom fysiken för att studera kristallstrukturen på ytorna på fasta material.

Det de hittade följde inte de accepterade reglerna för diffraktion.

"Upptäckten är en paradox, sa Michael Tringides, en senior forskare vid Ames Laboratory som undersöker de unika egenskaperna hos 2D-material och metaller odlade på grafen, grafit, och andra kolbelagda ytor. "Läroboksdiffraktion säger att ju mer felfritt ett material är, desto skarpare och tydligare diffraktionsfläckar, och ofullkomliga material har låg intensitet, bredare diffraktionsfläckar."

Men när det gäller mycket enhetliga prover av grafen, diffraktionsstudierna visade inte bara de förväntade skarpa fläckarna, men också ett mycket brett band av diffus diffraktion i bakgrunden.

"Det resultatet är inte intuitivt och väldigt konstigt, sa Tringides, "men vi tycker att detta breda diffraktionsmönster är en inneboende egenskap hos grafen, och när du har det, du har väldigt bra grafen. Detta är ett bra sätt att kvantitativt mäta dess strukturella perfektion."

Vad mer, detta märkliga diffraktionsmönster var närvarande och synligt under de senaste 25 åren av grafenforskningspublikationer, och ändå ignoreras. "Det var en stor, märkbara fenomen, och reproducerbar, och vi insåg att det måste vara extremt viktigt på något sätt, sa Tringides.

Medan mer teoretiskt arbete behövs för att fullständigt förklara de experimentella resultaten, forskarna tror att det breda diffraktionsfenomenet orsakas av inneslutningen av grafenelektroner i ett enda lager av atomer. Enligt grunderna i kvantmekaniken, eftersom elektronpositionen vinkelrätt mot skiktet är exakt känd, deras vågvektor måste ha en spridning, som överförs till de diffrakterade elektronerna. Denna effekt är också signifikant för andra typer av 2D-material. Med det fortsatta och växande intresset för 2D-material för en mängd olika applikationer, att förbättra deras strukturella kvalitet kommer att vara nyckeln till lovande ny teknik, sa Tringides.

"Detta arbete ger ett viktigt steg mot förmågan att optimera grafen och andra 2D-material exakt, och skräddarsy deras egenskaper för specifika applikationer, " han sa.

Forskningen diskuteras vidare i tidningen, "Diffraktionsparadox:En ovanligt bred diffraktionsbakgrund markerar grafen av hög kvalitet, " författad av S. Chen, M. Horn von Hoegen, P.A. Thiel, och M.C. Tringides; och publiceras i Fysisk granskning B .